【AT】虚拟现实与建筑实践（by罗丹、徐卫国）
VR
虚拟现实与建筑实践
文 罗丹 徐卫国
清华大学建筑学院
科学技术的进步和发展愈来愈多地影响着建筑的设计和表达。例如，自计算机在建筑行业中普及以来，不仅改变了建筑图纸的绘制方式，更重要的是改变了建筑设计的思考逻辑、方法和过程。正如安托·皮康（Antoine Picon）在《建筑和虚拟：走向新物质性》一文中所述，“建筑在设计过程中去物质化的虚拟表现和真实现实在相互博弈。真实的建造结果依赖于虚拟数字媒介中的叙事和思考。过去建筑师仅能够控制描述物体的静止状态，而当代建筑师则可以在屏幕上实现实时的操纵、改变和跟踪几何体，并且可以用绘图中不可实现的方式扭曲和提亮表面。[1]”这一变革解释了现在大量建筑中拓扑和流动形体的产生。自虚拟现实技术大规模民用化以来，大量与建筑相关的创业公司和先进技术纷纷涌现。除了本身纯粹的技术特点，更加值得思考的是虚拟现实技术将如何改变建筑设计的表现、叙事和思考方式，从而更为深远地影响建筑设计的未来。
相较于传统平面性的设计和表现媒介，虚拟现实技术能够带来大尺度沉浸式的体验。这一技术不仅可以低成本模拟真实建筑环境，实现与环境的实时、直观交互，并且能够将人在环境中的行为量化、追踪，全方位收集建筑空间环境与用户行为关系的大量数据，并通过分析统计对数据信息进行深度挖掘。这些特性都是传统纸质或者平面数字媒介所不具备的，也是在数字传媒和大数据时代中虚拟现实技术无可比拟的优势。因此，建筑作为围绕空间体验和用户生活使用功能所展开的学科，虚拟现实技术在其中的应用具有极大的想象空间。顶尖的建筑院校如美国麻省理工学院、哈佛大学设计研究生院，以及先锋建筑公司如诺曼·福斯特事务所、扎哈·哈迪德事务所、BIG事务所等，均已开辟专门的研究小组探索其在建筑领域中的应用可能性，并从空间表现、用户行为、建造辅助、性能评估等多角度切入，探索虚拟现实技术从设计到施工及后期评估的建筑全生命周期中的应用可能。
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全新的建筑表现方式
在数字媒体时代，虚拟现实技术为建筑领域带来了全新的表现方式。无论是传统的建筑效果图抑或建筑动画均依赖于屏幕或者平面印刷品等二维媒介，由此催生的鸟瞰图、广角人视图等表现方式严重超出了人体尺度与用户视角。它们虽然适合屏幕与平面媒体的传播，但是却与建筑的真实体验方式相距甚远。由于传播媒介和表现方式往往影响着业主和公众决策，在一些事务所中甚至衍生出从特定角度效果图出发的设计方式，这也导致大量建筑设计一味地追求图像和表现效果，设计过程脱离人的尺度和空间体验，导致建成效果与预期相差甚远。
虚拟现实技术的出现，使得基于人体尺度的建筑空间体验在数字媒体上的大范围传播成为可能。沉浸式和真实尺度的体验方式，降低了用户理解建筑空间的认知门槛，同时使得如视线、空间、细节、材质等难以在效果图中体现的建筑元素得到放大和关注，让非专业人士对所塑造的虚拟建筑空间有了一个直观真实的理解，极大提高了业主对方案的信心和相互的沟通效率。因此，自BIG事务所制作的蛇形美术馆等虚拟现实的视频在网络平台上传播之后，越来越多的建筑师事务所都着眼于利用虚拟现实技术进行方案展示。2017年初，笔者所在的XWG工作室在武家庄砖艺花园项目中使用了UNITY开发虚拟现实场景漫游，呈现了很好的展示效果（图1）。同时，众多相关的创业公司也尝试将建筑模型虚拟现实
化，甚至正在建造能够在虚拟空间中直接进行设计编辑的软件平台。这也是目前虚拟现实与建筑相结合最为成熟的应用方向。
1 利用UNITY 开发虚拟现实场景漫游（武家庄砖艺花园项目，XWG 工作室，2017）
但是，由于虚拟现实中的建筑表现往往受到传播渠道及播放设备的限制，面临着难以分享、设备门槛高、与现实展示空间脱离等一系列问题。在诺曼·福斯特事务所应用研发小组（Applied Research and Development）和美国麻省理工学院媒体实验室等尖端研究机构中，设计师试图将虚拟现实、增强现实、三维扫描、人类视觉等多维技术相融合，探索可以将虚拟世界同现实世界融合的全新交互机制和平台（图2）。其中，不少研究将虚拟数字世界中的决策及变更同数字信息技术相结合，使得空间体验、建筑设计、信息化模型和施工建造可以无缝对接。
2 实体模型与数字空间实时交互（View Cube 项目，Carson Smuts MIT媒体实验室，2015）
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用户行为引入建筑设计
人的行为是建筑空间的重要组成元素，但在传统建筑设计手段中，由于技术的限制，在建成之前设计师无法测试用户对空间的真实体验和使用方式。由于人的行为难以量化描述，因此设计师往往采用较为宏观的功能分区、人行流线等主观的方式规定空间的使用方式，又或是套用人体尺度等通用的模板机械地定义空间，难以从真实的用户行为出发进行设计。因此，常常出现建筑建成后真实功能空间的使用方式与最初的设计意向相去甚远。虚拟现实技术不仅可以模拟空间体验，更重要的是可以将诸如路线、停留时间、视线、特定交互行为等信息进行完整的监控、记录、统计。虚拟现实技术作为连接用户行为和虚拟数字信息的桥梁，为如何将人的真实行为引入到建筑设计中提供了全新的可能性。
香港大学土木系曾利用虚拟现实技术对一系列影响能耗的行为进行测试，不仅量化了设计意图与真实住户行为之间的偏差，而且对以往设计模糊的建筑细节提出了有效的建议和反馈。在其中一个案例中，研究者在虚拟现实中测试了住宅中开关的选择及布局如何影响住户对灯光的使用，以及使用方式对建筑能耗的影响，具体到开关的类型和布局、开关是否自发光、是否带有说明标记等细节如何量化地影响住户行为及最终能耗（图3）[2]。而在传统的建筑设计手段中，与用户最为贴近的此类建筑细节的选择往往单纯从美观和造价上出发，且严重依赖于经验，难以对实际的使用效果进行统计与分析并做出客观的判断。用户在空间中的使用、住行、社交、消费行为往往是在建筑建成以后，对用户进行长期的随访调研统计才能进行评估。由于此种模式高昂的成本及研究的滞后性，使其无法有效融入到建筑设计之中。虚拟现实技术恰恰可以对这一设计盲点进行很好的补充，进而影响传统的设计方式和流程。
3 利用虚拟现实技术测试开关组合、布局、照明对能耗的影响（香港大学土木系，2015）
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高效的建造辅助
随着科技的迅速迭代及建筑形式和技术的高速创新，越来越多的非标准工艺及尖端的技术设备将应用在建筑施工当中，但技术设备的更新换代往往要求工人具有与之匹配的素质和技能。虚拟现实技术由于可以对生产环境和设备进行直观的模拟，可以测试新兴的装备技术和工艺过程、对工人进行非标准装配维护技能的培训，以及在复杂建筑空间建造中提供步骤说明和建造辅助等，具有重要的现实意义。在工业设计领域，宝马公司早在1999年便提出了利用虚拟现实技术来测试原型汽车装配和维护过程的方法[3，4]。西门子公司同样利用虚拟现实技术帮助技术人员提早适应复杂的现场状况（图4）。
4 复杂场景模拟（西门子公司）
虽然在建筑施工领域中这一技术尚未普及，但是不少科研小组已经着力探索虚拟现实等科技在建筑施工上的应用。例如，东京大学的小渕祐介教授在建筑构筑物的搭建中，利用增强现实技术与空间扫描进行复杂空间定位的追踪和对建造者的实时引导，来精确理解生产制造过程中的空间三维坐标，并利用智能手机或平板电脑作为理解周边环境的工具，这一过程中所收集的信息通过处理后成为现实和虚拟物体之间的纽带。在清华大学2017年暑期参数化研习班中，我们也曾使用同类技术进行复杂建构的定位及校准（图5）。
5 增强现实辅助空间定位（清华大学参数化设计研习班，2017）
通过虚拟现实技术，工人可以快速学习新的建造及装配技术。在施工过程中它可以将建筑信息模型与实际空间相叠加，引导辅助工人完成复杂工艺，提高建造效率。随着建筑产业的升级和人口红利的逐渐消失，施工建造将逐渐以较高素质的专业工人代替传统的建筑工人。虚拟现实技术由于其仿真、直观、高效、价格低廉等特性，将在未来的施工领域中展现出巨大的发展空间。
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结语
虚拟现实技术并不是一个严格意义上的新兴技术。早在20世纪80年代，美国军方便曾经将早期的虚拟现实技术应用在飞行员与宇航员的模拟训练当中[5]。但是长久以来，由于昂贵的硬件成本和技术门槛，虚拟现实技术主要还是局限于军用及计算机专业的研究实验中。但是随着技术和资本的积累，终于在2015年虚拟现实相关的软、硬件及配套的开发平台集中井喷，一系列民用硬件、开发平台和社区资源的成熟，使虚拟现实的开发、使用门槛大幅降低。原本对普通人来说属于科幻范畴的虚拟现实技术得以脱离实验室进入民用领域。随即在2016年一系列虚拟现实产品和创业公司集中涌现，媒体称之为“VR元年”。
由于虚拟现实技术步入民用领域的时间尚短，虽然众多一流的设计事务所、建筑院校及研究所已经意识到这一技术将给建筑行业带来深远的影响，但是目前涌现出的大部分项目和研究尚处于技术运用探索的初期阶段，还未有一款“杀手级”的应用可以指明虚拟现实技术在建筑领域中主流的应用方向和方式。
目前，虚拟现实的研发项目往往局限在方案展示上，缺少和建筑行业更深入的融合。但是由于其本身在空间全尺度模拟、实时交互及数据分析等方面的优势，虚拟现实技术在大数据和数字媒体时代将具有极大的发挥空间。它可以深入整合应用于建筑设计及使用维护的全生命周期中，将用户行为和心理系统性地导入设计分析的流程，让建筑设计在数字媒介中的叙事、表现回归建筑空间和用户体验的本质，并且在未来的建筑领域中具有极大的潜力。
罗 丹
清华大学建筑学院博士( 在读)，美国哥伦比亚大学建筑学硕士。主要研究方向：虚拟现实与增强现实技术在建筑行业中的应用、数字建筑、参数化设计及理论等。
徐卫国
清华大学建筑学院建筑系主任，XWG 建筑工作室主持建筑师，数字建筑设计专业委员会主任，参数化非线性建筑设计的开拓者，发表论文70 余篇，出版专著及编著11 本。
注：本文刊登于《建筑技艺》2017年9期“虚拟现实与建筑设计”主题。转载请注明出处。购买本期杂志请长按识别二维码。
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